新材料技术下的节能减排数据算例优化分析

廖彬斌，黄柳军，张 蒙，林巾琳，戚永青

(1.广西电网有限责任公司，广西 南宁 530023；2.广西新电力投资集团有限责任公司，广西 南宁 530023;3.国电华研电力科技有限公司； 广东 广州 510030)

目前很多学者对于配电网的节能减排效益评估方法进行了一系列的研究，文献[1]主要对配电网中的一些分布式新能源以及动态配电等技术出发，在评估过程中考虑到技术可行性和经济方面建立效益评估体系，利用信息熵和模糊分析法，配合资金、性能2方面的约束对评估方式进行了改进；文献[2]基于ASIF方法引入生命周期评价和费效分析理念，建立节能减排效益评估模型，也取得了一定的研究成果。以上2种文献，评估方法更加注重评估单元的整体优化，将其进行平均后会掩盖某些评估指标的个性特征，导致评估结果有一定的偏差。本文设计一种基于数据包络分析的配电网节能减排效益评估方法，在评估方法中建立数据包络分析模型，能够分别对评估单元进行注重与优化得到最优权重，并有利于评估过程的相对效率。

1 新材料在配电网中的应用

高压大功率电力电子器件(如宽禁带半导体器件等)和装备可以令对高压大功率电力的变换和控制，如同集成电路对信息的处理一样灵活高效。

从这个意义上讲，电力电子器件和装备的广泛使用，将使得电网像计算网络处理和分配信息资源一样来处理和分配电力，因而可以把未来配电网看成是一个“能源配置网络”，各种电力资源通过“能源配置网络”有机组织、联系和控制起来，从而为用户提供可靠的电力。因此，这个“能源配置网络”也可以称之为“云电力网络”，而用户从“云”中获取可靠的电力。

新型高性能的电极材料、储能材料、电介质材料、高强度材料、质子交换膜和储氢材料等的发明和使用，将使得高效低成本电力储能系统成为现实并进入千家万户，从而优化电网的运行、简化电网的结构和控制，并对电源波动和电网故障作出响应。电力储能系统就如同计算网络中的信息储存系统一样，对于未来电网是必要的。

高性能的超导材料在电网中的应用，将大大降低电气设备的损耗、重量和体积，并可提高电气设备的极限容量和灵活性，超导限流器还可以有效地限制故障电流并保护其他电气设备和整个电网的安全稳定性。

其他新材料，如纳米复合材料、场(包括电场和磁场)控和温控的非线性介质材料、低残压压敏电阻材料、新型绝缘材料、绝缘体—金属相变材料、新型铁磁材料、用于高效低能耗的电力传感器材料(如巨磁阻材料、压电晶体、热电材料等)都将可能在未来电网中得到广泛的应用。

2 新材料技术下配电网节能减排效益评估方法

2.1 基于新材料的配电网节能减排效益评估指标体系建立

对于应用新材料技术的配电网来说，其节能减排效益的评估指标需要能够科学、准确地描述出节能减排的主题，需要具有一定的代表性和综合性，并且指标之间存在一定的内在与外在的联系，使得整个评估指标体系具有一定的系统性[3-4]。在建立的过程中，需要根据配电网所在地区的实际情况收集相关的资料，经过统计与分析后得到一般指标体系，经过咨询专家，进而筛选得到具体指标体系。经过相关性分析，对评估指标的选择有了一定的标准，得到相关评估指标体系，结果如图1所示。

图1 配电网节能减排效益评估指标体系Fig.1 The evaluation index system of energy saving and emission reduction benefits of distribution network

从图1可以看出，在评估指标体系中，主要以投入、节能减排技术以及相关指标作为评价指标的主要内容。在节能减排的过程中，主要涉及能源的消耗以及节能减排投入的指标[5-7]。在配电网的工作过程中，主要是消耗一些化石能源，这是与节能减排密切相关的，新能源利用是投入资金的重要研究对象。

2.2 基于数据包络分析的评估模型

配电网是生活、生产所需电能的实际输送载体，为了减少其使用化石能源所排放出的有效气体，在很大程度上能够提高其供电效率，减少能源消耗与浪费，维持社会发展与保护环境之间的和谐状态[8-10]。从节能减排的效益上看，需要在投资一定的情况下，将节能减排效益最大化。在评估的过程中，不能忽略评估指标的个性特征，因此在数据包络分析模型中，决策单元的有效性是评估模型结果准确性的基础，每个决策单元都会有若干个输入值与输出值。数据包络分析模型的种类也有很多，为了适配本文的评估内容，使用的是C2R模型，在该模型中，模型的输入、输出可表示：

(1)

式中：xj代表模型的输入；yj代表模型的输出；m代表输入数据的个数；n代表输出数据的个数；j代表一个除0之外的自然数[11-13]。根据上述数据包络分析模型的输入值、输出值，构建评价决策单元的配电网节能减排效益评估模型：

(2)

式中：u代表输出的权系数集合；v代表输入的权系数集合。该模型在投入一定的情况下，能够得到效益最大化的评估，即获取最大化的节能减排效益评估结果。

由于节能减排效益会受到各方面的因素影响，会处于一个动态变化的状态[14-15]。随着时间的变化，配电网的节能减排部署情况也会随之变化，因此，节能减排效益评估的目的主要在于配电网节能减排效果的预测。在数据包络分析评估模型的基础上，得到如图2所示的评估流程。

图2 基于数据包络分析的配电网节能减排效益评估流程Fig.2 The evaluation process of energy saving and emission reduction benefits of distribution network based on data envelopment analysis

从图2可以看出，经过以上的流程计算，可以得到配电网在不同时间点的节能减排小于评估值，结合相关的指标权重，可以获取整体的效益评估结果。至此完成基于数据包络分析的配电网节能减排效益评估方法的设计。

3 算例应用分析

3.1 算例情况

为了验证本设计的基于数据包括分析的配电网节能减排效益评估方法的有效性，在算例分析的过程中选择某地区的5年间的数据作为算例数据进行分析。根据本文所建立的评估指标体系，随机选取某年的数据，得到该地区下属各个城市中2019年的节能减排效率评价指标数据，结果表1所示；其中，X1为新能源发电量；X2传统机组运行功率；X3传统能源机组节约量；Y1线损率；Y2系统负载率；Z1分布式电源发电量；Z2电动汽车减排量；Z3智能电表安装比例。

表1 算例地区中各城市2019年节能减排效率评价指标数据Tab.1 The evaluation index data of energy conservation and emission reduction efficiency of each city in the calculation example area in 2019

在以上现有配电网的规划基础之上进行配电网节能减排的效益评估，评价周期设置为10年。在评估过程中设置该地区每年在配电网节能减排方面的投资方式为等年均投入，在该地区的投资相关参数如表2所示。

表2 算例地区相关参数Tab.2 The relevant parameters of the calculation example area

根据算例地区的以上数据指标，通过专家对于评估时间段之内的各项数据以及当地对于节能减排的认知，将算例地区设置成为一个经济系统，并分别使用本文设计的基于数据包络分析的配电网节能减排效益评估方法和传统法评估方法对该算例地区进行节能减排的效益评估，并将结果进行对比与分析。

3.2 实验结果与分析

在上述算例环境下，本文方法得到的第1年节能减排绩效评价结果如下图3所示。

图3 算例地区各城市节能减排绩效评价结果Fig.3 Evaluation results of energy conservation and emission reduction performance of each city in the calculation example area

图3为算例地区某一年的评估结果，为了准确的判断2种评估方法的结果对比，得到2种方法评价结果，具体如图4所示。

从图4可以看出，2种评估方法得到的节能减排整体评估结果都呈现出了总体提升的趋势，明显可以看出本方法得到的评估结果更加贴近于算例地区的实际效益，说明本设计的效益评估方法与传统方法相比具有更高的评估准确性。

图4 2种评估方法得到的节能减排整体评估结果Fig.4 The overall assessment results of energy conservation and emission reduction obtainedby the two assessment methods

为了进一步验证本方法的有效性，对本设计的效益评估方法与传统方法的配电网节能减排效益评估时间进行对比分析，结果如图5所示。

图5 2种方法的评估时间对比结果Fig.5 Comparison results of the evaluation time of the two methods

从图5可以看出，本设计的效益评估方法配电网节能减排效益评估时间在15 s以内；传统方法配电网节能减排效益评估时间在30 s以内，说明本设计的效益评估方法配电网节能减排效益评估时间比传统方法的配电网节能减排效益评估时间短。

4 结语

本文针对传统评估方法所展现出来的短板，设计出一种基于数据包络分析的配电网节能减排效益评估方法。通过建立评估体系，引入数据包络分析模型，能够改善传统方法中整体优化评估单元所导致的评估结果不精准的情况，最后根据算例分析结果可知，本文构建模型的配电网节能减排效益评估效果较好，为配电网建设奠定了基础。